KR19980081248A - 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치 - Google Patents

주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와 기록 및 재생장치는, 그 첨단에 탐침을 구비하는 프로브(1)와, 압전진동체(2)와 교류전압 발생수단(3)으로 구성된 진동부와, 수정 진동자(4)와 전류/전압 증폭회로(5)로 구성된 진동검출부와, 프로브를 시료표면에 접근시키는 조동수단(6)과, Z축 미동소자(11)와 Z서보 회로(12)로 구성되어 시료와 프로브 사이의 거리를 제어하는 거리제어수단과, XY미동소자(13)와 XY주사회로(14)로 구성되는 2차원 주사수단과, 측정 신호를 3차원 화상으로 전환하는 데이터 처리수단으로 이루어진 주사식 프로브 현미경을 이용하며, 이때, 탄성체(16)는 탄성 압력으로 프로브(1)를 수정 진동자(4)에 고정시키도록 구성된다.

Description

주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치
본 발명은 수정 진동자를 프로브의 위치 제어에 사용하는 주사식 프로브 현미경(Scanning Probe Microscope)을 이용한 가공장치와, 이 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생 장치에 관한 것이다.
종래의 주사식 프로브 현미경의 위치 제어방식으로는, 터널 전류(Tunneling Current)를 검지하는 방식, 미소광 (Evanescent light)을 검지하는 방식, 원자간의 힘(atomic force)을 검지하는 방식 등이 알려져 있다.
터널 전류를 프로브의 위치 제어에 사용하는 주사식 프로브 현미경으로는 주사식 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope : STM)이 있고, 미소광을 프로브의 위치 제어에 사용하는 주사식 프로브 현미경으로는 포톤(Photon) STM 이 있다. 그러나, 측정 가능한 시료가 한정되므로, 원자간의 힘을 사용하는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope : AFM), 근접장 주사 광학 현미경(Near-Field Scanning Optical Microscope : NSOM)등이 주로 사용되고 있다. 원자간의 힘을 측정하는 방법은 레이저 광에 의해 프로브의 변위를 검출하는 방법이 있으며, 다른 방법으로는 수정 진동자에 의해 발생된 전류에서의 변동을 사용하는 방법이 있다.
프로브의 변위 검출로 레이저 광을 사용하는 주사식 프로브 현미경으로는, 예를 들면, 로버트 에릭 베트직(Robert Erik Betzig)에 의해 고안된 일본 특허 공개 1994년 제50750호의 힘 측정수단을 포함하는 주사식 현미경이 있다. 또한, 수정 진동자를 이용하여 프로브의 변위를 검출하는 주사식 현미경은, 예를 들면 칼리드 카라이(Kaled Karai) 등에 의한 Appl. Phys. Lett. 66(14), 1995, 1842 페이지 내지 1844페이지에 개시되어 있다. 이하 이러한 장치를 개략적으로 설명한다.
도 2는 종래의 레이저 광을 사용하는 주사식 프로브 현미경의 개략적 도면이다. 광섬유(310)의 첨단부를 테이퍼(70)형상으로 가공하였다. XYZ 스테이지(50)위에 시료대(20)가 설치된다. 시료대 위에는 시료(30)가 설정된다. 광섬유 프로브(70)를 미동소자(40)를 사용하여 시료면과 평행하게 진동시킨다. 프로브의 첨단부에는 시료 표면으로부터의 수평방향의 힘, 즉, 전단력(shear force)이 가해져서 프로브의 진동상태가 변화하게 된다. 프로브(70)의 진동 상태 측정은, 위치 제어용 레이저 광(도시는 생략함)을 첨단에 조사하고, 프로브(70)의 잔영(shadow)을 렌즈(90)와 광 검출기(80)로 검출하여 실행한다. 시료 표면과 프로브의 첨단 사이의 거리는 미동소자(40)를 사용하여 제어되어, 전단력이 일정한 값 즉, 진폭 및 위상 변화가 일정하게 되는 정도의 값을 유지하도록 한다. 시료로부터의 거리에 따라 이 전단력은 급속히 감쇠 한다. 이를 이용하여, 시료 표면과 프로브의 첨단 사이의 거리는 나노미터 차수(order)의 일정한 값으로 유지된다. 시료의 표면은 XYZ 미동 소자(40)를 사용하여, 래스터-주사된다(raster-scanned). 이러한 방법으로, 시료의 표면 형상(topography)을 나노미터의 차수(order)로 측정할 수 있다.
이러한 조건에서, 전계, 자계, 전류, 빛, 열, 압력을 시료표면에 인가하는 것에 의해서, 시료 표면을 가공하는 것이 가능하다. 또한, 시료 이동수단을 사용하여 시료를 이동시키며 시료표면 위에 가공분포를 형성하여 정보를 기록할 수 있으며, 시료 이동수단을 사용하여 시료를 연속적으로 이동하면서, 시료 표면에 이미 가공되어 형성된 정보를 순차적으로 측정하여 출력함으로써 정보의 재생이 가능하다.
도 3은, 선행 기술인 수정 진동자를 사용하는 주사식 프로브 현미경의 주요부 개략도를 도시한 것이다. 도면부호 400으로 지시된 것은 광섬유 프로브이며, 도면부호 410으로 지시된 것은 수정 진동자이다. 광섬유 프로브는 수정 진동자에 부착된다. 수정 진동자는 피에조 소자(도시는 생략함)를 이용하여 공진 시킨다. 수정 진동자의 진동에 의해 광섬유 프로브는 진동한다. 프로브의 첨단이 시료에 근접함에 따라, 시료표면으로부터 수평방향의 힘, 즉 전단력이 프로브의 첨단에 가해진다. 그러므로, 프로브의 진동의 상태가 변한다. 수정 진동자의 진동 상태는 수정의 압전효과(Piezoelectric effect)에 의해 발생된 전하를 측정하는 것에 의해 측정된다. 시료표면과 프로브의 첨단사이의 거리는 피에조 스캐너(도시는 생략함)를 사용하여 제어되어, 상기 전단력이 일정한 값 즉, 위상이나 진폭의 변화가 일정값을 유지하는 정도가 되도록 한다. 시료로부터의 거리에 따라 상기 전단력은 급속히 떨어진다. 이를 이용하여, 시료 표면과 프로브의 첨단 사이의 거리는 나노미터 차수의 일정한 값으로 유지된다. 시료의 표면은 XYZ 미동 소자(도시는 생략함)를 사용하여, 래스터-주사된다. 이러한 방법으로, 시료의 표면 형상을 나노미터의 차수로 측정할 수 있다. 이러한 조건에서, 전계, 자계, 전류, 빛, 열, 압력을 시료표면에 인가하는 것에 의해서, 시료 표면을 가공하는 것이 가능하다. 또한, 시료 이동수단을 사용하여 시료를 이동시키며 시료표면 위에 가공분포를 형성하여 정보를 기록할 수 있으며, 시료 이동수단을 사용하여 시료를 연속적으로 이동하면서, 시료 표면에 이미 가공되어 형성된 정보를 순차적으로 측정하여 출력함으로써 정보의 재생이 가능하다.
전술한 선행 기술은 다음과 같은 결점을 갖는다. 레이저 광을 사용하는 주사식 프로브 현미경에서는, 전단력검출을 위해서 레이저 광을 광 프로브의 첨단 근처의 시료 표면으로 조사하고, 반사광으로부터 프로브 첨단의 영상(잔영)을 검출한다. 이러한 이유로, 반사되는 광선의 양이 시료표면의 형상 및 반사율에 의해서 쉽게 영향받게 된다. 따라서, 진동의 진폭을 측정하기가 어렵고, 표면의 형상을 정밀하게 측정하는 것이 어렵다. 또한, 레이저 광의 위치를 맞추기가 쉽지 않고 데이터의 재현성에 문제가 있다. 결과적으로, 가공의 정확성 및 기록 의 정확성이 문제를 가지게 되며, 정보의 재생에도 어려움이 발생한다.
수정 진동자를 사용하는 주사식 프로브 현미경에서는, 수정 진동자와 프로브의 접착부가 극히 미소 영역(100㎛ 스퀘어의 정방형 부분)으로 되기 쉬우며, 접착작업이 곤란하다. 또한, 접착량 및 굳는 정도, 접착부위 등의 요인에 의해 수정 진동자의 소자특성이 변화하기 쉽다. 그러므로 수정 진동자의 재현성을 높이기가 어렵다. 이러한 이유로, 공업용으로는 이용이 곤란하다. 또한, 프로브의 교환 시에는 수정 진동자를 함께 교환하지 않으면 안되므로 비용의 상승을 가져온다. 또한, 재현성을 갖추고 표면형상을 측정하는 것이 불가능하다. 결과적으로, 가공의 정확성 및 기록 의 정확성에 문제를 가지게 되며, 정보의 재생에도 어려움이 발생한다.
본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치는, 첨단에 탐침을 구비하는 프로브와, 압전 진동체와 교류전압 발생수단으로 구성된 진동부와, 수정 진동자와 전류전압 증폭회로로 구성된 진동검출부와, 프로브를 시료표면에 접근시키는 조동수단과, Z축 미동소자와 Z서보 회로로 구성되어 시료와 프로브 사이의 거리를 제어하는 거리제어수단과, XY미동소자와 XY주사회로로 구성되는 2차원 주사수단과, 측정 신호를 3차원 화상으로 전환하는 데이터 처리수단으로 이루어지는 주사식 프로브 현미경을 이용하며, 이때, 이 주사식 프로브 현미경은 탄성체의 탄성 압력으로 프로브를 수정 진동자에 고정하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로, 상기의 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치는, 높은 재현성으로 표면형상의 측정이 가능하다는 것과 함께, 가공의 정밀도 및 기록의 정밀도를 높일 수 있고, 기록된 정보의 재생을 용이하게 행할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치의 개략적 도면,
도 2는, 레이저 광을 사용하는 종래의 주사식 프로브 현미경의 개략적 도면,
도 3은, 수정 진동자를 사용하는 종래의 주사식 프로브 현미경의 개략적 도면,
도 4는, 본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치의 제 1 실시예의 개략적 도면, 그리고
도 5는, 본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치의 제 2 실시예의 개략적 도면이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 프로브(Probe)
2 : 압전 진동체(Piezoelectric Vibrating body)
4 : 수정 진동자(Quartz Oscillator)
11 : Z 축 미동소자 13 : XY 미동소자
16 : 탄성체
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경의 기술적 구성 및 작동을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치, 기록 및 재생장치는 탐침을 구비하는 프로브(1)와, 압전진동체(2)와 교류전압 발생수단(3)으로 구성된 진동부와, 수정 진동자(4)와 전류/전압 증폭회로(5)로 구성된 진동검출부와, 프로브를 시료표면에 접근시키는 조동수단(6)과, Z축 미동소자(11)와 Z서보 회로(12)로 구성되어 시료와 프로브 사이의 거리를 제어하는 거리제어수단과, XY미동소자(13)와 XY주사회로(14)로 구성되는 2차원 주사수단과, 측정 신호를 3차원 화상으로 전환하는 데이터 처리수단으로 이루어진 주사식 프로브 현미경을 사용하며, 특히, 탄성체(16)는 탄성 압력으로 프로브(1)를 수정 진동자(4)에 고정시키도록 구성된 주사식 프로브 현미경을 이용한 것이다.
프로브를 진동시키면서 시료의 표면으로 가까이 가져가면, 전단력이 프로브의 첨단에 가해지고, 진동의 진폭이 감소한다. 프로브와 수정 진동자는 스프링의 압력으로 하나로 고정되어 하나의 장치로 작동한다. 그러므로, 프로브의 진동의 진폭의 감소는 수정 진동자의 진동의 진폭을 감소시키는 결과가 된다. 이에 따라, 전류전압 증폭회로에 의해 검출되는 출력 전류가 감소된다.
시료와 프로브 사이의 거리는, Z 미동수단과 Z 서보 회로에 의해 제어되어 수정 진동자로부터의 출력전류를 일정하게 유지시킨다. 이러한 방법으로, 프로브의 첨단부는 시료표면으로부터 일정 거리를 유지하게된다. 이 조건하에서, 프로브는 시료 면을 가로지르며 2 차원으로 주사되어 3차원 영상을 생성시키게 된다. 이러한 조건에서, 전계, 자계, 전류, 빛, 열, 압력을 시료표면에 인가하는 것에 의해서, 시료 표면을 가공하는 것이 가능하다. 또한, 시료 이동수단을 사용하여 시료를 이동시키며 시료표면 위에 가공분포를 형성하여 정보를 기록할 수 있으며, 시료 이동수단을 사용하여 시료를 연속적으로 이동하면서, 시료 표면에 이미 가공되어 형성된 정보를 순차적으로 측정하여 출력함으로써 정보의 재생이 가능하다.
전술한 바와 같이, 프로브와 시료 사이의 거리는 수정 진동자를 이용하여 제어된다. 레이저 광을 사용하는 주사식 프로브 현미경과 같은 위치 제어용 레이저가 불필요하게되고, 레이저 광의 위치 및 반사광량의 변동에 의해 데이터가 부정확하게되는 것을 피할 수 있다. 또한, 탄성체의 탄성 압력으로 프로브를 수정 진동자에 고정하는 것에 의해, 종래의 수정 진동자를 사용하는 주사식 프로브 현미경에서의 문제인 접착의 변동에 의한 데이터의 변동이 없으며, 프로브 교환시의 프로브만을 교환할 수 있으므로, 동일한 수정 진동자가 사용될 수 있으므로, 측정조건의 재현성, 그리고 데이터의 재현성을 높이는 것이 가능하다. 또한, 프로브의 교환만이 가능하므로, 원가를 낮추고, 곤란한 접착이 불필요하고, 동시에 취급이 매우 간편해지는 장점을 얻게된다.
또한, 상기 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치는 좋은 재현성을 가지고 표면형상을 측정할 수 있으므로, 가공의 정확성, 기록의 정확성과 함께 정보의 재생의 용이함을 얻게된다.
[실시예]
이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
[실시예 1]
도 4는 본 발명에 따른 것으로, 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 전술한 실시예는 시료를 둘러싼 주위환경을 제어할 수 있는 주사식 프로브 현미경을 이용한다.
수정 진동자(4) 및 압전 진동체(Piezoelectric Oscillator)(2)는 수정 진동자 홀더(25)에 접착 고정된다. 압전 진동체로서는 판 형상의 PZT 소자를, 수정 진동자로서는 시계용의 수정 진동자를 사용한다. PZT에 AC전압이 인가되면, 그것은 진동하고, 수정 진동자를 진동시키도록 한다. 진동 주파수가 공명 주파수(예를 들면 32.7kHz)와 동기된다면, 수정 진동자는 공명한다. 그러면, 압전효과에 의해 수정 진동자의 전극에 전하가 유기 된다. 이 전류는 전류/전압 증폭회로에 의해 검출된다. 수정 진동자의 진동 진폭에 비례하는 전류가 생성되므로, 수정 진동자의 진동 상태는 검출되는 전류로부터 측정될 수 있다. 전술한 판 형상의 PZT이외에도, 원통형의 PZT 스캐너, 적층PZT판 또는 다른 구조 등이 압전 진동체의 구조로 고려될 수 있다. 그러나, 이러한 구조는 모두 본 발명의 기술 사상 범위 내의 것이다. 또한, 시계 등 이외에 다른 분야에서 사용되는 수정 진동자도 본 발명의 수정 진동자로 사용될 수 있다.
프로브(1)는 탄성체(16)의 탄성 압력에 의해 수정 진동자에 고정된다. 프로브는 텅스텐의 첨단을 화학적으로 에칭하고, 테이퍼 형상으로 가공한 것을 사용한다. 프로브는 이러한 방법으로 금속으로 만들어진다. 규소 또는 규화 질소의 캔틸레버(cantilever), 광섬유 또는 유리질의 피펫(pipette)을 테이퍼 형태로 가공하여 프로브를 만들 수도 있다. 테이퍼 가공방법에는 화학적 에칭방법 이외에 기계적인 연마 및 가열 연신 가공도 포함될 수 있다. 자성 필름이 프로브 첨단에 침착되어 자력 검지 프로브를 만들 수 있다. 또한, 금막 또는 백금막이 형성되어 도전성 프로브를 만들 수 있다. 이 또한 본 발명의 기술 사상 범위 내의 것이다.
스텐레스 강으로 제조된 판 스프링이 탄성체로 사용된다. 수정 진동자는 힘을 검출하는 감도가 크기 때문에, 탄성체의 스프링 상수는 작은 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 100㎛의 두께와, 1㎜ 의 폭 및 10㎜ 의 길이를 갖는 캔틸레버 스프링이 사용된다. 또한, 탄성체로는 인(phosphor) 청동의 판 스프링, 실리콘 고무 등의 다양한 종류의 고무 등이 사용될 수도 있다. 또한, 이 탄성체는 프로브 자체의 탄성을 사용하는 것으로 고정될 수도 있다. 이러한 것들은 모두 본 발명의 기술 사상 범위 내의 것이다. 탄성체가 탄성 압력으로 고정되는 경우, 이 압력은 수정 진동자의 진동 특성, 즉, Q값을 사용하여 측정된다. 프로브가 고정되지 않는 경우, 수정 진동자의 Q값은 예를 들면 약 3000 정도이다. 프로브가 고정되는 경우 Q값은 500 이하이다. 주사식 프로브 현미경을 위해 바람직한 Q값은 약 100 내지 400이다. 탄성 압력은 Q값이 이 범위 내에 들어가도록 조정된다.
수정 진동자 홀더(25)는, XYZ 미동 소자(11,13)에 고정된다. 미동 소자로는, X-축, Y-축, 및 Z- 축 스캐너가 결합된 원통형 피에조 압전소자가 사용된다. 기타, X-축 및 Y-축으로부터 분리된 Z-축의 피에조 스캐너와 전왜소자(electro - strictive device)가 미동 소자로 사용될 수도 있다. 이 또한 본 발명에 포함된다. 기타 피에조-스테이지(piezo-stage), 평행 스프링을 사용하는 스테이지, 1-축 피에조 압전소자가 X-축, Y-축 및 Z-축에 각각 설치된 트리포드 식(tripod-type) 피에조 압전소자, 그리고 적층 피에조 스캐너 등이 사용될 수 있다. 이들 역시 본 발명에 포함되는 것이다.
조동 수단(6)은 프로브를 시료로 근접시키는 데 사용된다. 조동 수단은 스텝핑모터와 감속 기어, 조동 나사 또는 리니어 가이드(linear guide) 등의 조동기구를 사용하여 구성된다. 조동기구는 스테핑 모터가 부가된 Z-스테이지로 구성할 수도 있다. 또한 피에조 압전소자를 사용하는 스테이지를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 인치 웜(Inchworm)기구 또는 Z-스테이지를 압전소자와 조합한 스테이지 등이 고려될 수 있으며, 이들 또한 본 발명에 포함되는 것이다.
시료는 진공실(18)을 사용하여 진공상태에 놓여진다. 이러한 방법으로 진공 중에 시료를 유지시킬 수도 있으며, 또한, 진공 실로 가스 도입구를 두고, 시료를 불활성 가스 또는 반응성 가스에 노출시킬 수도 있다. 이 또한 본 발명에 포함되는 것이다. 이러한 상태에서, 프로브 첨단에서의 전계, 자계, 전류, 빛, 열, 압력등을 시료의 표면에 인가하는 것에 의해 시료 표면 위에 정보의 기록을 행하고, 또한, 기록된 정보를 측정하는 것으로 재생이 가능하다.
이러한 구성으로, 나노미터의 차수로 재현성이 좋은 표면형상의 측정이 가능하며, 또한 정밀도가 높은 기록 및 재생이 가능한 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생이 실현될 수 있다.
[실시예 2]
도 5는, 본 발명에 따른 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치의 제 2 실시예를 도시한 개략적 도면이다. 이 기록 및 재생장치의 실시예는 주사식 근접장 광학 현미경을 사용한 것이다.
레이저 광원(19)으로부터 출력된 광선은 광 변조기(27)에 의해 주기적으로 진폭 변조된다. 광 변조기(27)는 음파에 의한 광변조기(acoustooptical modulator : AO modulator)로 구성된다. 광 변조기로서는 기타 전계에 의한 광변조기(electro-optic modulator : EO modulator), 또는 전기 모터에 의해 광쵸퍼(optical chopper)가 회전되는 기계식 변조기가 사용될 수 있으며, 이는 본 발명에 포함된다. 변조된 광선은 커플링(21)에 의해 프로브(1)로 도입된다. 이 광 도파 프로브는 프로브 자체의 스프링 압력에 의해 수정 진동자(4)에 고정된다. 이 광선은 프로브의 첨단부에서 구멍으로부터 나와 시료(17)에 조사된다. 시료로부터의 반사광을 렌즈(7), 거울(22, 23)과 광학창(24)을 매개하여서, 렌즈(8)에서 집광한다. 집광된 광선은, 반 거울(half-mirror)(31)에서 2 방향으로 분기되어, 광검출기(9)와 CCD카메라(29)에서 측정된다. 반 거울은 경우에 따라서는 다이크로닉 미러(dichronic mirror)로 바꾸는 것도 가능하며, 또한 광량 확보를 위해 거울을 사용하지 않는 것도 생각될 수 있다. 광검출기(9)에 의해서 검출된 광선은, 록-인 증폭기(Lock-in Amplifier)를 사용하여 높은 S/N으로 측정되고, 그 결과의 신호는 데이터 처리장치(15)에 의해서 3차원 영상으로 변환된다.
시료의 표면 위의 측정된 영역은, 시료를 위한 XY스테이지(26)를 사용하여 이동된다. 피에조 구동 스테이지가 상기 XY스테이지로 사용된다. XY스테이지로는 스텝핑모터와 XY스테이지를 조합한 스테이지 등이 고려될 수 있으며, 이는 본 발명에 포함된다. 시료의 냉각에는, 저온 유지 장치(cryostat)가 사용된다. 헬륨가스의 흐름에 의한 냉각 메커니즘이 제공되므로, 시료의 온도는 낮아져서 빠른 시간 내에(약 30분) 실온에서 액체 헬륨 온도까지 내려가게 냉각 할 수 있다. 기타, 구리 등의 금속을 냉각하고, 진공중의 시료에 접촉시켜서 냉각하는 방법과 액체 헬륨의 단열 팽창을 이용한 기계식 냉동기 등이 고려될 수 있으며, 이러한 방법은 모두 본 발명에 포함되는 것이다. 시료의 가열에는 히터(32)를 사용한다. 히터로서는 망가닌(Manganin) 재질의 선을 구리로 된 시료대 둘레에 감는 것으로 구성된다. 가열은 가열기로의 전류를 제어하는 것으로 이루어진다. 그 외에도 텅스텐 선, 탄소 박막, 망가닌 박막을 이용하는 가열기의 예를 고려할 수 있으며, 이것 역시 본 발명에 포함되는 것이다. 전술한 구성에 의해서, 시료의 온도가 액체 헬륨온도의 저온으로부터 고온까지 변화시키는 동안, 시료의 표면에 광 도파 프로브의 파장보다 작은 구멍으로 레이저 광을 조사하고, 이때 반사되는 반사광을 렌즈에서 집광하고, 광검출기에서 검출한다. 광 도파 프로브를 시료 표면 내에서 주사하는 것에 의해서, 나노미터의 차수로 재현성이 좋은 표면 형상을 측정할 수 있고, 동시에, 시료면 내에서의 반사광의 분포를 파장이하의 고분해능으로 측정할 수 있다. 또한, 프로브 첨단에서의 전계, 자계, 전류, 빛, 열, 압력등을 시료의 표면에 인가하는 것에 의해 시료 표면 위에 정보의 기록을 행하고, 또한, 기록된 정보를 측정하는 것으로 재생이 가능하다.
이러한 구성으로, 나노미터의 차수로 재현성이 좋은 표면형상의 측정이 가능하며, 또한 정밀도가 높은 기록 및 재생이 가능한 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생이 실현될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 첨단의 탐침을 갖는 프로브(1)와, 압전진동체(2)와 교류전압 발생수단(3)으로 구성된 진동부와, 수정 진동자(4)와 전류/전압 증폭회로(5)로 구성된 진동검출부와, 프로브를 시료표면에 접근시키는 조동수단(6)과, Z축 미동소자(11)와 Z서보 회로(12)로 구성되어 시료와 프로브 사이의 거리를 제어하는 거리제어수단과, XY미동소자(13)와 XY주사회로(14)로 구성되는 2차원 주사수단과, 측정 신호를 3차원 화상으로 전환하는 데이터 처리수단으로 이루어지고, 이 때, 탄성체(16)는 탄성 압력으로 프로브(1)를 수정 진동자(4)에 고정시키는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록장치와, 재생 및 기록장치를 제공한다.
전술한 바와 같이, 프로브와 시료사이의 거리는 수정 진동자를 사용하여 제어된다. 레이저 광을 사용하는 주사식 프로브 현미경과 같은 위치 제어용 레이저가 불요하게 되고, 레이저 광의 위치 및 반사광량의 변동에 의해 데이터가 부정확해지는 문제가 없어진다. 또한, 탄성체의 스프링 압력으로 광 도파 프로브를 수정 진동자에 고정시키는 것에 의해, 종래의 수정 진동자를 사용하는 주사식 프로브 현미경에서의 문제인 접착의 변동에 의한 데이터의 변동이 없어지고, 또한, 프로브 교환 시에는 프로브만을 교환하는 것이 가능하므로, 동일한 수정 진동자가 사용되며, 측정 조건의 재현성 또한 데이터의 재현성을 높이는 것이 가능하다. 또한, 프로브 교환만의 교환이 가능하므로 비용을 절감하고, 접착시의 어려움이 없어지고, 취급이 매우 용이하게된다. 결국, 이상과 같이 재현성이 높은 주사식 프로브 현미경이 실현가능하고 가공정밀도, 기록정밀도가 높고, 용이하게 정보를 재생할 수 있는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치와, 기록 및 재생장치를 실현할 수 있다.

Claims (22)

  1. 첨단에 탐침을 구비하는 프로브와, 압전 진동체와 교류전압 발생수단으로 구성된 진동부와, 수정 진동자와 전류전압 증폭회로로 구성된 진동검출부와, 프로브를 시료표면에 접근시키는 조동수단과, Z축 미동소자와 Z 서보회로로 구성되어 시료와 프로브 사이의 거리를 제어하는 거리제어수단과, XY미동소자와 XY주사회로로 구성되는 2차원 주사수단과, 측정 신호를 3차원 화상으로 전환하는 데이터 처리수단으로 이루어지는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치에 있어서,
    탄성체의 탄성 압력으로 프로브를 수정 진동자에 고정하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 프로브는 주사식 터널 현미경(STM)의 탐침인 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 프로브는 원자간력 현미경(AFM)의 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 캔틸레버는 자성체로 구성된 자기력 현미경의 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 캔틸레버는 도전성 캔틸레버이며, 시료 표면의 전위 또는 전류를 검출하는 검출수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  6. 제 1항에 있어서, 시료를 진공 중에 유지시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  7. 제 1항에 있어서, 시료를 불활성 가스 또는 반응성 가스 중에 유지시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  8. 제 1항에 있어서, 시료 표면의 측정 위치를 이동할 수 있는 시료대를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  9. 제 1항에 있어서, 시료 표면에 광을 조사하는 광 조사수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  10. 제 9항에 있어서, 시료를 투과한 투과광선 또는 시료표면에서 반사된 반사광선을 집광하는 집광 수단 및 검출하는 검출 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  11. 제 10항에 있어서, 광을 주기적으로 변조하는 변조수단 및 록-인 검출수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 가공장치.
  12. 첨단에 탐침을 구비하는 프로브와, 압전 진동체와 교류전압 발생수단으로 구성된 진동부와, 수정 진동자와 전류전압 증폭회로로 구성된 진동검출부와, 프로브를 시료표면에 접근시키는 조동수단과, Z축 미동소자와 Z 서보회로로 구성되어 시료와 프로브 사이의 거리를 제어하는 거리제어수단과, XY미동소자와 XY주사회로로 구성되는 2차원 주사수단과, 측정 신호를 3차원 화상으로 전환하는 데이터 처리수단으로 이루어지는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치에 있어서,
    탄성체의 탄성 압력으로 프로브를 수정 진동자에 고정하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 프로브는 주사식 터널 현미경(STM)의 탐침인 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 프로브는 원자간력 현미경(AFM)의 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 캔틸레버는 자성체로 구성된 자기력 현미경의 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 캔틸레버는 도전성 캔틸레버이며, 시료 표면의 전위 또는 전류를 검출하는 검출수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  17. 제 12항에 있어서, 시료를 진공 중에 유지시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  18. 제 12항에 있어서, 시료를 불활성 가스 또는 반응성 가스 중에 유지시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  19. 제 12항에 있어서, 시료 표면의 측정 위치를 이동할 수 있는 시료대를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  20. 제 12항에 있어서, 시료 표면에 광을 조사하는 광 조사수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  21. 제 20항에 있어서, 시료를 투과한 투과광선 또는 시료표면에서 반사된 반사광선을 집광하는 집광수단 및 검출하는 검출수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
  22. 제 21항에 있어서, 광을 주기적으로 변조하는 변조수단 및 록-인 검출수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 프로브 현미경을 이용한 기록 및 재생장치.
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